201612培训班电子测量原理剖析

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1、电子测量技术基础 与电子系统设计,2016.10,2019/10/18,1,电子测量技术简介,基本电参量测量，包括电压、电流、阻抗、频率、周期、时间等 。 时域测量技术，基于示波器技术的时域信号波形采集、显示及应用。,2,2019/10/18,一、 电子测量中的变换技术,1 量值变换 量值： 指电压、电流、功率、阻抗、时间等电参量的幅值 大小。 量值变换： 把它们的幅值按比例地增大或缩小。 通过量值变换，可提高测量范围、分辨力和精度。,3,2019/10/18,（1）信号放大与衰减 信号放大 将微弱的被测信号，放大到足以进行各种转换处理或能驱 动指示器、记录器。 测量系统中的信号放大器主要用来

2、放大微弱电压、电流或 电荷信号，要求具有高精度和低漂移特点。 信号衰减： 测量系统中的信号衰减器主要用来提高测量范围或通过降 低信号电平来控制失真、改进阻抗匹配和对信号源去耦等。,4,2019/10/18,（2）阻抗变换 电子测量中，特别是在微波测量中，当将不匹配的负载 与传输线连接时，或将特征阻抗不同的传输线进行连接时，信 号传输中将产生强烈反射。 为保证良好的传输，必须在传输线与负载之间或不同特 征阻抗的传输线之间接入一种阻抗变换的双口网络，改变阻抗 的大小，实现阻抗的匹配。 在信号源的功率放大器输出电路中，也要求负载阻抗匹 配，常用变压器等进行阻抗变换，以保证最佳功率传输。 电子测量仪器

3、输入端具有很高输入阻抗，输入跟随器则 是实现输入通道从高阻到低阻的阻抗变换。,5,2019/10/18,2 频率变换 （1）检波 交流电压变成直流电压 常用磁电式电表，它只能测量直流，交流信号必须检波成直流信号来测量 。 （2）斩波 把一个直流电压调制成交流电压，经过交流放大，然后再把交流电压通过反调制（解调）还原为直流电压的过程，斩波的作用可对微弱的直流电压进行放大。,6,2019/10/18,（3）变频（混频）,例：fi=200MHz2GHz f0=170MHz1.97GHz 则 F=f-f0=30MHz 30MHz固定中频输出,7,2019/10/18,（4）倍频 倍频器是频率综合技术中

4、的乘法器。 差频倍增法,8,2019/10/18,（5）分频 分频是于对信号频率进行除法运算。 （6）频率合成 频率合成是把一个（或少量几个）高稳晶振频率源 经过一系列综合的加、减、乘、除四则运算，可作 为随意调节频率的高精度信号源。 （7）取样技术 取样门电路将高频信号进行取样变换，使之以低频 形式复现出来。 它可以把频率上限扩展到几GHz甚至几十GHz。,9,2019/10/18,3 波形变换 （1）整形 将任意形状的波形变成规则的脉冲波形。 例如，用于电子计数器的输入通道中。 （2）限幅 把信号波形幅度限制在一定范围内。 （3）微分 由矩形脉冲形成一个窄脉冲。 例如，在电子计数器、取样示

5、波器、广谱信号源中广泛使用。,10,2019/10/18,（4）波形合成 多种波形叠加成复杂波形。 例如，多通道数据合成器，视频信号波形。 （5）波形变换 正弦波变成方波或三角波; 方波变成三角波或正弦波； 三角波变成正弦波或方波等。 波形变换技术广泛用于信号匹配、信号处理、信号发生、多波形函数发生器电路中。,11,2019/10/18,4 参量变换,（1）电流I 、电压V 、电阻之间变换 例如，在多用表中采用AV变换技术，包括交流/直流（AC/DC）、电流/电压（I/V）和电阻/电压（/V）的转换，可以实现交、直流电压、电流、电阻等多种测量功能。 （2）V/F变换 模拟直流电压转换为频率。

6、（3）V/T变换 模拟直流电压转换成时间。 （4）网络参数变换,12,2019/10/18,5 能量变换（物理量变换）,能量变换 指其他多种形式的物理量与电学量之间的变换。 传感器 能量变换器，可从非电量变换成电量 ，一般分参量变换器及电势变换器三大类。 （1）参量变换器 实现将各种物理量变换成电阻、电感、电容或磁导率等。 例如，常用的电阻丝应变片、电感式变换器、电容式变换器 （2）电势变换器 实现将各种势能物理量变换成电量（电压、电流）。 例如，感应变换器、光电变换器、压电变换器、热电偶等。 （3）电量变换成非电量、机械量、光学量等 例如，指针的偏转、发光的数码、字符和图像等。,13,201

7、9/10/18,例 试以数字万用表测量交流电流为例，阐述变换技术在电子测 量中的应用。 交流电流 交流电压变换； 交流电压 直流电压变换； 直流电压幅值变换； 模拟量/数字量变换； BCD码/七段码的码制变换； 显示器件的电/光转换。,数字三用表测量交流电流方案设计与电原理框图,14,2019/10/18,各类电子测量仪器,15,2019/10/18,二、电子测量中的比较技术,1 电压比较 （1）电平比较 比较两个模拟电压的大小可用电压比较器来实现.,电压比较器电路与比较特性波形图,16,2019/10/18,2 频率（时间）比较 时间差值比较 采用R-S触发器可实现两个信号时差的波形变换。,

8、输入信号与R-S触发器输出波形图,17,2019/10/18,（2）差频比较 混频器可以实现两个频率的减法运算 还可利用差频 比较法测量频率 。 （3）比例比较 测频率公式： Fx=N/To ； Fx：输入信号频率 ，N：系统计数值，To：标准时标 ； 测周期公式： Tx=NTs ； Tx：输入信号周期 ，N：系统计数值，Ts：标准时标 。,18,2019/10/18,（4）相位比较 鉴相器可实现两个信号的相位比较。,鉴相器输入、输出信号关系与电原理框图,19,2019/10/18,3 数字比较 二进制的数N1和N2加于异或门的输入端，即可进行比较。 异或门电路有2个输入端和1个输出端。 其中

9、输出和输入的逻辑关系是：当两个输入信号相同时，输出为0（低电平）；当两个输入信号不同时，输出为1（高电平）。,由异或门电路组成的数字信号比较器,20,2019/10/18,三、电子测量中的处理技术,1 基本模拟运算电路 运算放大器辅之以不同的电路元件，可以组成诸如比例、 加减、微分、积分、对数、指数和乘除等电路。,由运算放大器组成的加、减法放大电路,21,2019/10/18,2 指数和对数运算电路 利用二极管的电流与其端电压在一定条件下存在的指数关系来实现。(二极管的正向伏安特性是指数曲线),由集成运放构成的指数运算电路和对数运算电路,22,2019/10/18,指数和对数运算电路公式推导：

10、 基本概念：运放特点输入阻抗无穷大，同相端接地，反相端为虚地，二极管的VT =26mv(室温时)；,23,2019/10/18,24,2019/10/18,3 乘法运算和除法运算,模拟乘法器原理 采用由集成运放构成的对数运算电路、加法、减法和指数运算电路可以实现乘法和除法运算。,模拟乘法器原理框图,25,2019/10/18,4 积分和微分电路 由集成运放构成的基本积分和微分电路,由集成运放构成的基本积分（a）和微分（b）电路,26,2019/10/18,5 运算与处理电路在电压测量中的应用,第一级为模拟乘法器，完成被测电压的平方运算； 第二级为积分器，完成平均运算； 第三级为开方器，完成开平

11、方根的运算； 最后一级为放大器，按一定比例放大的直流输出电压去驱动电表使电表，按被测电压的有效值进行线性刻度。,电压有效值计算公式：,电压有效值计算电路原理框图,27,2019/10/18,6 有源滤波器 有源滤波器可分为低通、高通、带通和带阻等不同滤波器。,低通、高通、带通和带阻等滤波器的幅频特性示意图,28,2019/10/18,四、电子测量中的显示技术,1 指示式仪表 2 电光显示器件 （1）发光二极管（LED） 利用正向偏置PN结中电子与空穴的幅射复合发光，发出非相 干光，光谱较宽，发散角大，视角效果好； LED的发光颜色多、辉度高，LED的单元体积小，电压低、 驱动电流小，寿命长。

12、指示灯 数字数码管,29,2019/10/18,数字数码管原理与结构图,七段数码管电路原理与连接图,30,2019/10/18,（2）液晶显示器（LCD） 液晶是一种具有光学双射性的液体状的晶体 ，液晶显 示器件在电信号驱动下，控制其对入射偏光的反射或透射， 实现LCD的显示。 LCD具有薄型、轻量、低功耗、低工作电压等特点 。 数字、字符显示； 平面显示。,LED显示屏示意图,31,2019/10/18,（3）阴极射线管（CRT） CRT可分为电视用、显示终端用及仪器仪表用几种类型。,由CRT原理构成的示波管、显示器和电子仪器,32,2019/10/18,五、电压的测量,1 电压测量简介 （

13、1）电压测量的重要性 电压测量是电测量与非电测量的基础，电压的主要表征： 电路工作状态，饱和与截止，线性度、失真度。 表征电信号能量的三个基本参数：电压、电流、功率。 在电子测量中，许多电量的测量可以转化为电压测量： 其中：把电流、功率转换为电压，再进行测量。 在非电测量中，物理量转换为电压信号，再进行测量 如：温度、压力、振动、（加）速度。,33,2019/10/18,（2）电压测量的特点,频率范围广 零频（直流）109Hz 低频：1MHz以下；高频（射频）：1MHz以上。 测量范围宽 微弱信号: 非电量传感器、心电医学信号、地震波等。 纳伏级（10-9V）。 超高压信号：电力系统中，数百千

14、伏。 电压波形多样化 电压信号波形是被测量信息的载体。 各种波形：纯正弦波、失真的正弦波、方波、三角波、梯形波和随机噪声等。,34,2019/10/18,阻抗匹配 在多级系统中，输出级阻抗对下一输入级有影响。 直流测量中，输入阻抗与被测信号源等效内阻形 成分压，使测量结果偏小。 交流测量中，输入阻抗的不匹配引起信号反射。 测量精度的要求差异很大10-1至10-9。,35,2019/10/18,测量速度的要求差异很大 静态测量：直流（慢变化信号）,几次/秒; 动态测量：高速瞬变信号,数亿次/秒（几百MHz） 精度与速度存在矛盾，应根据需要而定。 抗干扰性能 工业现场测试中，存在较大的干扰。,36

15、,2019/10/18,（3） 电压测量的方法和分类,电压测量方法的分类 按对象：直流电压测量，交流电压测量； 按技术：模拟测量，数字测量； 交流电压的模拟测量方法 表征交流电压的三个基本参量： 有效值、峰值和平均值。以有效值测量为主。 测量方法： 交流电压（有效值、峰值和平均值）-直流电流-驱 动表头-指示。 例如：有效值、峰值和平均值电压表，电平表等。,37,2019/10/18, 数字化直流电压测量方法 模拟直流电压-A/D转换器-数字量-数字显示 例如：数字电压表（DVM），数字多用表（DMM）。 交流电压的数字化测量 交流电压（有效值、峰值和平均值）-直流电压-A/D转换器-数字量-

16、数字显示。,38,2019/10/18,基于采样的交流电压测量方法 交流电压-A/D转换器-瞬时采样值u(k) - 计算，如有效值 式中，N为u(t)的一个周期内的采样点数。 示波器测量方法 交流电压-模拟或数字示波器-显示波形- 读出结果。,39,2019/10/18,2 交流电压的测量,（1）表征交流电压的基本参量 峰值、平均值、有效值、波峰因数和波形因数。 峰值 以零电平为参考的最大电压幅值（用Vp表示 ）。 注：以直流分量为参考的最大电压幅值则称为振幅，（通常用Um表示）。,40,2019/10/18,平均值（均值） 数学上定义为：相当于交流电压u(t)的直流分量。 交流电压测量中，平均值通常指经过全波或半波整 流后的波形（一般若无特指，均为全波整流）： 对理想的正弦交流电压u(t)=Vpsin(t)，若=2/T,41,2019/10/18,有效值 定义：交流电压u(t)在一个周期T内，通过某